CN102765361A - 一种碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁 - Google Patents

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本发明公开了一种碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁，包括带若干个空腔的基本骨架，所述的基本骨架的材料为由包含芳纶纤维的第一约束层、包含芳纶纤维的第二约束层以及位于第一约束层和第二约束层之间的包含碳纤维的中间层组成的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料；所述的基本骨架的空腔内填充有硬质泡沫。该汽车前防撞梁与目前常用的钢制汽车防撞梁相比，具有比重低、高强度、高韧性的特点，可在强度提高2-3倍基础上减重50%-80%，提高车辆安全性并起到节能减排效果。

Description

一种碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁
技术领域
本发明涉及一种汽车用防撞梁复合材料结构件，特别涉及一种碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁。
背景技术
汽车工业近年来的迅速发展使汽车的保有量不断地提高，同时也带来了化石能源消耗、尾气排放污染、交通安全等问题。汽车的节能、环保、安全已成为全球汽车行业未来发展的趋势，也是我国汽车产业政策的方向。减少燃料消耗和降低尾气排放已成为汽车工业可持续发展亟需解决的关键问题。汽车的轻量化是降低能源消耗的最有效途径之一，也是近年来汽车制造商所追求的目标。目前，汽车底盘、悬挂、发动机等主要部件多采用金属材料，大部分的燃料消耗在克服汽车自身重量上。寻找和开发比重低、强度高的材料作为汽车部分钢构件的替代品也就显得极为迫切。
碳纤维是一种高强度、高模量且力学性能优异的纤维材料，其密度仅为钢的1/4左右，但抗拉强度可达3750MPa以上，为钢的7-9倍；其拉伸模量可达到230GPa以上，碳纤维复合材料具有极高的比强度和比刚度，在航空航天等领域已开始广泛应用。芳纶纤维是聚对苯二甲酰对苯二胺的商品名，是一种合成纤维，具有超高强度、高模量、耐高温等优良性能，其强度为钢的5-6倍，模量为钢丝的2-3倍，韧性是钢丝的2倍，而密度仅为钢的1/5左右，有“合成钢丝”的美誉。目前，碳纤维复合材料已被用于汽车引擎盖、翼子板等结构件，由于碳纤维复合材料质脆且损坏后难以修复，一定程度的限制了碳纤维复合材料在汽车领域的应用。芳纶纤维也具有高的比强度，在韧性方面能够与碳纤维互补，可一定程度的解决碳纤维复合材料较脆冲击后易碎裂的缺点，如果能开发碳纤维/芳纶纤维混合结构的复合材料，有望解决目前汽车用复合材料强度和韧性的矛盾问题。
现有的改进汽车防撞梁的强度和韧性的方法多是对防撞梁的结构进行改进，对材料的改进较少，如中国专利ZL201120345499.1中公开了一种汽车用防撞梁；其为一体铝合金结构，右部上下角位上设有A圆弧导角，内部设有两个腔体；该防撞梁是铝合金挤压件后加工而成，材料为铝合金材料，总体重量较传统钢金属防撞梁有所下降，但还是较重。中国专利ZL03807273.4中公开了一种增强的防撞梁，包括聚合物基体和包括金属软线的金属增强结构，所述金属增强结构由基本上彼此平行的金属软线组成，所述的聚合物基体包括至少第一层和第二层，所述第一层围绕所述金属软线的表面存在，和所述第二层围绕所述第一层表面存在。该防撞梁具有改进的抗撞击性和在撞击之中与之后具有改进的完整性。
发明内容
本发明提供了一种用碳纤维/芳纶复合材料制作的汽车前防撞梁，具有比重低、强度高的特点。
一种碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁，包括带若干个空腔的基本骨架，所述的基本骨架的材料为由包含芳纶纤维的第一约束层、包含芳纶纤维的第二约束层以及位于第一约束层和第二约束层之间的包含碳纤维的中间层组成的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料；所述的基本骨架的空腔内填充有硬质泡沫。
本发明通过碳纤维、芳纶纤维和硬质泡沫的有效组合提高制件强度和韧性，使用芳纶纤维包埋碳纤维的结构形式保证防撞梁在受到冲击时较脆的碳纤维复合材料受到芳纶纤维约束而不会破碎溅出对行人造成二次伤害，从而提高车辆安全性。
所述的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料的基体树脂可选用本领域常用的基体树脂，如可选用热固性树脂或热塑性树脂。
所述的热固性树脂选用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂中的一种或两种以上，可采用市售产品，这些基体树脂同碳纤维及芳纶纤维具有良好的界面结合特性。
所述的热塑性树脂选用尼龙、聚丙烯、聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺中的一种或两种以上，可采用市售产品，这些基体树脂同碳纤维及芳纶纤维复合后具有良好的韧性。
本发明可根据需要选择热固性树脂或热塑性树脂作为基体树脂。
所述的芳纶纤维选用芳纶纤维布，可采用市售产品，以便于预浸料-热压罐固化成型工艺的实施。
所述的碳纤维选用碳纤维单向布（单向碳纤维）和/或其它碳纤维织物，可采用市售产品，以便于预浸料-热压罐固化成型工艺的实施。现有的市售产品中有很多含碳纤维的基体树脂预浸料，因此所述的碳纤维和基体树脂可直接以含碳纤维的基体树脂预浸料的形式使用。
优选，第一约束层中芳纶纤维的体积百分含量与第二约束层中芳纶纤维的体积百分含量相等。
所述的硬质泡沫选用强度和刚度较高的聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）或聚苯乙烯泡沫（XPS）。
所述的基本骨架采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型方法制备。基本骨架的形状和尺寸可根据机动车辆的规格需求设定也可依据现有的汽车前防撞梁的基本骨架设定，具体操作时采用相应形状和尺寸的模具利用现有的预浸料铺叠-热压罐成型方法进行制备，操作简便且无需更换现有的制造设备。
所述的硬质泡沫与基本骨架通过现有的加热共固化成型法进行复合或通过环氧胶粘接，以使硬质泡沫与基本骨架紧密结合。所述的环氧胶可采用现有的市售产品，如Dow Betamate 1022D，HuntsmanAraldite AW4859，无锡树脂厂WSR 303A/B等。当采用加热共固化成型法进行复合时可与所述的基本骨架的原料一起采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型方法制备。
所述的加热共固化成型法一般包括步骤：将碳纤维、芳纶纤维和基体树脂预浸料按顺序铺覆在硬质泡沫表面，在120℃至200℃温度范围固化1小时至8小时，硬质泡沫同碳纤维及芳纶纤维复合材料共固化粘合成为整体。所述环氧胶粘接一般按照如下步骤实现：将环氧胶涂敷于硬质泡沫上，填充至已固化的碳纤维及芳纶纤维复合材料基本骨架的空腔内粘合至使用强度。
所述的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料的抗拉强度的提高主要是因为铺层方式的改变，因此可根据需要采用本领域常用的铺层方式以得到各种的抗拉强度的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料，如[45/0/-45/90]2s、[0]8等铺层方式中的一种。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
本发明采用了两种不同的轻质增强纤维：碳纤维和芳纶纤维，与目前常用的钢制汽车防撞梁（比重一般在1.75g/cm3左右，抗拉强度一般在700MPa左右）相比，具有比重低、高强度、高韧性的特点，可在强度提高2-3倍基础上减重50%-80%，提高车辆安全性并起到节能减排效果。
本发明用碳纤维/芳纶增强复合材料制作的汽车前防撞梁基本骨架中的芯材（即中间层）采用碳纤维复合材料保证其高强度，表面覆盖芳纶纤维复合材料（即第一约束层和第二约束层）赋予其更高的韧性并保证防撞梁在受到冲击时较脆的碳纤维复合材料受到芳纶纤维约束而不会破碎溅出对行人造成二次伤害，一定程度克服了碳纤维复合材料质脆的缺点。同时在汽车前防撞梁基本骨架的空腔内填充硬质泡沫，作为吸能缓冲结构，对低强度冲击产生能量吸收作用。
附图说明
图1为本发明一种用碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁的典型结构截面示意图；
图2是图1中A部的放大示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本发明用碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁，包括带两个空腔5的基本骨架4，基本骨架4的材料为由包含芳纶纤维的第一约束层1、包含芳纶纤维的第二约束层3以及位于第一约束层1和第二约束层3之间的包含碳纤维的中间层2组成的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料；基本骨架4的空腔5内填充有硬质泡沫，硬质泡沫紧挨第二约束层3。
实施例2
采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型工艺，作为第一约束层，将1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）铺覆于2块位于同一平面且沿泡沫长度方向平行间隔设置的30mm×30mm×1200mm（长×宽×厚）PMI泡沫（赢创Rohacell 51IG PMI）上，按照图1所示结构依次在上述芳纶纤维布上铺覆单向碳纤维环氧树脂预浸料（光威USG12503），铺层方式[45/0/-45/90]2s，以及1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）作为第二约束层。经过120℃2小时，160℃1小时加热固化成型后，得到具有实施例1结构的碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁样件。其中，碳纤维/芳纶增强复合材料的体积百分比组成为：环氧树脂45%、碳纤维44%、第一约束层中的芳纶纤维5.5%、第二约束层中的芳纶纤维5.5%。
按上述工艺所制得碳纤维/芳纶复合材料防撞梁样件整体比重为0.52g/cm3，其中碳纤维/芳纶增强复合材料基本骨架比重为1.92g/cm3，复合材料抗拉强度1460MPa。
实施例3
采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型工艺制备带有两个空腔的碳纤维/芳纶增强复合材料基本骨架4，通过环氧胶粘接将PMI泡沫填充于空腔5内，具体包括：作为第一约束层，将1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）铺覆于模具上，模具上设有与基本骨架4上空腔5一致的空腔尺寸30mm×30mm×1200mm（长×宽×厚），按照图1所示结构依次在上述芳纶纤维布上铺覆单向碳纤维环氧树脂预浸料（光威USG12503），铺层方式[0]8，以及1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）作为第二约束层。经过120℃2小时，160℃1小时加热固化成型后，得到碳纤维/芳纶增强复合材料的基本骨架4，将环氧胶WSR 303A/B涂敷于30mm×30mm×1200mm Rohacell 51IG PMI泡沫与空腔5内壁接触部分表面并将Rohacell 51IG PMI泡沫填充于空腔5内，常温放置12小时待环氧胶固化达到实用牢度，制得具有实施例1结构的碳纤维/芳纶增强复合材料汽车前防撞梁。其中，碳纤维/芳纶增强复合材料的体积百分比组成为：环氧树脂40%、碳纤维48%、第一约束层中的芳纶纤维6%、第二约束层中的芳纶纤维6%。
按照上述工艺所制备的碳纤维/芳纶复合材料防撞梁样件整体比重为0.53g/cm3，其中碳纤维/芳纶复合材料骨架比重为1.92g/cm3，复合材料抗拉强度达2247MPa。
实施例4
采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型工艺，作为第一约束层，将1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）铺覆于2块位于同一平面且沿泡沫长度方向平行间隔设置的30mm×30mm×1200mm（长×宽×厚）PMI泡沫（赢创Rohacell 31IG PMI）上，按照图1所示结构依次在上述芳纶纤维布上铺覆碳纤维尼龙预浸料织物（德国Bond TEPEX dynalite carbon/PA12），铺层方式[45/0/-45/90]2s，以及1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）作为第二约束层。经过120℃30分钟热压成型后，得到具有实施例1结构的碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁样件。其中，碳纤维/芳纶增强复合材料的体积百分比组成为：尼龙12 50%、碳纤维42%、第一约束层中的芳纶纤维4%、第二约束层中的芳纶纤维4%。
按上述工艺所制得碳纤维/芳纶复合材料防撞梁样件整体比重为0.36g/cm3，其中碳纤维/芳纶增强复合材料基本骨架比重为2.15g/cm3,复合材料抗拉强度1772MPa。
实施例5
采用预浸料铺叠-热压成型工艺制备带有两个空腔的碳纤维/芳纶增强复合材料基本骨架4，通过环氧胶粘接将PMI泡沫填充于空腔5内，具体包括：作为第一约束层，将1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）铺覆于模具上，模具上设有与基本骨架4上空腔5一致的空腔尺寸30mm×30mm×1200mm（长×宽×厚），按照图1所示结构依次在上述芳纶纤维布上铺覆碳纤维尼龙预浸料织物（德国Bond TEPEX dynalite carbon/PA12），铺层方式[0]8，以及1层芳纶纤维布（北京聚能，JNAFS-1670-170P平纹布）作为第二约束层。经过160℃3分钟热压，冷却脱模得到碳纤维/芳纶增强复合材料的基本骨架4，将环氧胶WSR 303A/B涂敷于30mm×30mm×1200mm Rohacell 31IG PMI泡沫与空腔5内壁接触部分表面并将Rohacell 31IG PMI泡沫填充于空腔5内，常温放置12小时待环氧胶固化达到实用牢度，制得具有实施例1结构的碳纤维/芳纶增强复合材料汽车前防撞梁。其中，碳纤维/芳纶增强复合材料的体积百分比组成为：尼龙1240%、碳纤维48%、第一约束层中的芳纶纤维6%、第二约束层中的芳纶纤维6%。
按上述工艺所制得碳纤维/芳纶复合材料防撞梁样件整体比重为0.37g/cm3，其中碳纤维/芳纶增强复合材料基本骨架比重为2.18g/cm3，复合材料抗拉强度1910MPa。

Claims (10)

1.一种碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁，包括带若干个空腔的基本骨架，其特征在于，所述的基本骨架的材料为由包含芳纶纤维的第一约束层、包含芳纶纤维的第二约束层以及位于第一约束层和第二约束层之间的包含碳纤维的中间层组成的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料；所述的基本骨架的空腔内填充有硬质泡沫。
2.根据权利要求1所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的碳纤维/芳纶增强树脂基复合材料的基体树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
3.根据权利要求2所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂中的一种或两种以上。
4.根据权利要求2所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的热塑性树脂为尼龙、聚丙烯、聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺中的一种或两种以上。
5.根据权利要求1所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的芳纶纤维为芳纶纤维布。
6.根据权利要求1所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的碳纤维为碳纤维单向布和/或其它碳纤维织物。
7.根据权利要求1所述的汽车前防撞梁，其特征在于，第一约束层中芳纶纤维的体积与第二约束层中芳纶纤维的体积相等。
8.根据权利要求1所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的硬质泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺或聚苯乙烯泡沫。
9.根据权利要求1所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的基本骨架采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型方法制备。
10.根据权利要求1所述的汽车前防撞梁，其特征在于，所述的硬质泡沫与基本骨架通过加热共固化成型法进行复合或通过环氧胶粘接。
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